王月云，龐小平*，季 青，劉清全

（1. 武漢大學(xué) 中國南極測繪研究中心，湖北 武漢 430079；2. 重慶市規(guī)劃設(shè)計研究院，重慶 401147）

在過去的幾十年里，北極地區(qū)的海冰面積急劇下降[1]，夏季降幅尤為明顯[2-3]，極大地延長了北極航道夏季通航時間[4-5]。一方面，與通過蘇伊士運河或巴拿馬運河的傳統(tǒng)航道相比，北極航道在航行距離和經(jīng)濟(jì)成本方面都更具優(yōu)勢[6-7]；另一方面，北極地區(qū)蘊(yùn)含著豐富的水資源、礦產(chǎn)資源和生物資源[8]，而我國作為地緣上的“近北極國家”，北極航道的通航勢必影響我國的經(jīng)濟(jì)貿(mào)易格局、能源格局和政治格局[9]。因此，在全球氣候與海冰快速變化的背景下，對北極航道夏季適航性進(jìn)行評估，不僅能為我國更好地開展極地科考和商業(yè)航行提供一定的借鑒，還能維護(hù)我國的極地權(quán)益，為我國更好地認(rèn)識和利用北極服務(wù)。

北極航道通航環(huán)境具有自然和社會雙重屬性，能否通航、通航安全與否受到多種因素影響[10]。Haas C[11]等通過研究西北航道海冰厚度變化發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段西北航道海冰厚度情況依然會給航運帶來較大風(fēng)險；Melia N[12]等通過全球氣候模型模擬船舶航行北極航線認(rèn)為，到本世紀(jì)中期中央航道也有極大可能性通航；李新情[13]等利用海冰密集度數(shù)據(jù)對2014年東北航道冰情和開通情況進(jìn)行了分析；王相宜[14]等利用海冰密集度和海冰類型數(shù)據(jù)分析了2005—2015年東北航道途經(jīng)海域通航環(huán)境的變化情況；馬龍[15]等利用2005—2014年的海冰密集度產(chǎn)品，選擇東北航道對航線通航窗口進(jìn)行了提取，并分析了其變化特征；汪楚涯[16]等基于海冰密集度數(shù)據(jù)研究了西北航道的通航情況。上述研究對北極航道通航環(huán)境和關(guān)鍵海峽進(jìn)行了分析與評估，但多為針對單一海冰要素對通航性的影響分析，缺乏結(jié)合航道氣溫、風(fēng)速、風(fēng)向等氣象條件以及水深、洋流等水文環(huán)境信息的綜合量化研究，且當(dāng)前國內(nèi)針對北極航道相關(guān)研究中對西北航道適航性的研究較少[17]，評估過程中權(quán)重確定方法也多采用層次分析法等主觀權(quán)重確定方法[18-20]。

鑒于此，本文嘗試綜合海冰、氣象和水文因素數(shù)據(jù)，結(jié)合量化的法律政策、港口與助航設(shè)施等非自然影響因素，采用主客觀權(quán)重相結(jié)合的定權(quán)方法定量評估北極西北航道2002—2020年的夏季適航性，以期為更好地認(rèn)知北極、開發(fā)利用北極西北航道提供參考和借鑒。

1 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)來源

西北航道是指從北大西洋經(jīng)加拿大北極群島進(jìn)入北冰洋，再進(jìn)入大西洋的一條航道，東起加拿大東北部戴維斯海峽和巴芬灣，西至美國阿拉斯加北面的波弗特海。本文選取的研究區(qū)范圍為66.5°~82°N、55°~170°W；采用的數(shù)據(jù)為美國國家雪冰數(shù)據(jù)中心提供的海冰密集度產(chǎn)品，歐洲中期天氣預(yù)報中心（ECMWF）的ERA-Interim 全球大氣再分析資料中的2 m 氣溫、10 m 風(fēng)場和海表溫度數(shù)據(jù)，美國國家環(huán)境預(yù)測中心發(fā)布的CFSR 再分析資料中的經(jīng)向海流、緯向海流和云水混合比數(shù)據(jù)，北冰洋國際等深線圖（IBCAO） 的水深數(shù)據(jù)，北冰洋劃界信息數(shù)據(jù)[21]，ERSI 發(fā)布的世界港口指數(shù)（World Port Index Twen?ty Fifth Edition, 2016） 以及北半球基礎(chǔ)地理底圖數(shù)據(jù)。

2 綜合評估模型的建立

近年來，西北航道夏季冰情在不斷減輕，每年的7—10 月為西北航道海冰范圍的低值期，一般在9 月達(dá)到最小值[22]。在西北航道可通航的年份中，可通航的開始日期一般在8 月，結(jié)束日期在9 月底至10 月初[16]。西北航道通航情況與其通航環(huán)境風(fēng)險程度密不可分。目前，由于北極航道通航環(huán)境評估多采用主觀賦值法[18-20]，考慮到其對評價結(jié)果客觀性的影響，王哲[23]等在評估過程中引入粗糙集方法確定權(quán)重，進(jìn)而構(gòu)建模型對航道適航性進(jìn)行評估。為了更客觀、合理地對北極西北航道適航性進(jìn)行綜合評價，本文采用主客觀相結(jié)合的指標(biāo)權(quán)重確定方法，以實現(xiàn)主客觀權(quán)重的優(yōu)勢互補(bǔ)。首先采用層次分析法確定北極西北航道適航性評價指標(biāo)的主觀權(quán)重，再利用粗糙集方法[24]確定客觀權(quán)重，最后利用線性加權(quán)組合法[25]對主、客觀權(quán)重按偏好系數(shù)進(jìn)行計算，得到組合權(quán)重值，進(jìn)而構(gòu)建綜合評估模型。

2.1 評價指標(biāo)體系的建立

西北航道的海冰、氣象、水文、海底地形等情況較為復(fù)雜。西北航道日平均最低氣溫在2 月，可達(dá)-40~-35℃，夏季航區(qū)的氣溫約在6~10℃；航區(qū)的霧很頻繁，在西南和東南風(fēng)時產(chǎn)生的平流霧濃度很大，能見度非常低，霧最大頻率發(fā)生在6—9月，沿岸和冰緣間常有蒸汽霧和輻射霧產(chǎn)生；航道大部分海域一年中主要為西北風(fēng)，其中加拿大沿岸以西北風(fēng)為主，波弗特海多為東南風(fēng)，巴芬灣和戴維斯海峽以西北和東南風(fēng)占優(yōu)勢[26]；航道巴芬灣和戴維斯海峽平均流速約為2 kn，波弗特海平均流速為0.5 kn[27]；航道在加拿大北極群島北側(cè)的兩條航線（經(jīng)梅爾維爾子爵海峽）水深超過400 m，南側(cè)的幾條航線多淺灘和巖礁，航線相對復(fù)雜，且待行船只吃水深度不能超過10 m[28]。西北航道沿岸港口設(shè)施和考察站建設(shè)的位置在地理空間分布上具有不均勻性，同時在航道航行的船舶也受國際公約和各國相關(guān)法律的限制和約束。因此，西北航道的適航性是上述各因素綜合作用的結(jié)果。

針對各影響因素數(shù)據(jù)進(jìn)行檢索，結(jié)合專家意見對影響因素進(jìn)行篩選，本文將影響西北航道適航性的因素分為海冰、氣象環(huán)境、水文環(huán)境、地理環(huán)境、助航設(shè)施和政治影響，并進(jìn)一步細(xì)化指標(biāo)，從而建立北極西北航道適航性評價指標(biāo)體系，如表1所示。

表1 北極西北航道適航性評價指標(biāo)體系

2.2 指標(biāo)量化

指標(biāo)量化計算是針對二級指標(biāo)進(jìn)行的。由于不同指標(biāo)的量綱不同，進(jìn)行指標(biāo)融合前，必須對各指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，轉(zhuǎn)化為0~1的無量綱值。

1）海冰密集度用于評估單元海冰的密集程度。d1越大，海冰密集度越高，越不適合通航，風(fēng)險度越高。

式中，d1為海冰密集度標(biāo)準(zhǔn)化值；C 為評估單元原始海冰密集度；Cmin為最小值；Cmax為最大值。

2）海冰厚度用于評估單元海冰厚度。d2越厚，越不適合通航，風(fēng)險度越高。

式中，d2為海冰厚度標(biāo)準(zhǔn)化值； H 為評估單元原始海冰厚度；Hmax為研究區(qū)域內(nèi)海冰厚度最大值。

3）氣溫用于評估單元氣溫。 d3越大，溫度越低，越不適合通航，風(fēng)險度越高。

式中， d3為氣溫標(biāo)準(zhǔn)化值；T 為評估單元原始?xì)鉁?；Tmin為研究區(qū)域內(nèi)氣溫最小值。

4）能見度用于評估單元能見度。d4越大，能見度越低，越不適合通航，風(fēng)險度越高。

式中，d4為能見度標(biāo)準(zhǔn)化值；V 為評估單元原始能見度值；V0為低能見度參考值，依據(jù)國際霧級規(guī)定，將V0取4 000 m。

5）風(fēng)速用于評估單元風(fēng)速。 d5越大，風(fēng)速越高，越不適合通航，風(fēng)險度越高。

式中， d5為風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)化值；W 為評估單元原始風(fēng)速；Wmax為研究區(qū)域內(nèi)風(fēng)速最大值。

6）海流流速用于評估單元流速。d6越大，流速越高，越不適合通航，風(fēng)險度越高。

式中，d6為流速標(biāo)準(zhǔn)化值；S 為評估單元原始流速；Smax為研究區(qū)域內(nèi)流速最大值。

7）海表溫度用于評估單元海表溫度。d7越大，溫度越低，越不適合通航，風(fēng)險度越高。

式中，d7為海表溫度標(biāo)準(zhǔn)化值； F 為評估單元原始海表溫度；Fmin為研究區(qū)域內(nèi)海表溫度最小值。

8）航道深度用于評估單元水深。d8越大，深度越淺，越不適合通航，風(fēng)險度越高。

式中， d8為深度標(biāo)準(zhǔn)化值； D 為評估單元原始深度；D0為深度參考值，取50 m。

9）航道寬度用于評估單元與兩側(cè)海岸的距離。d9越大，寬度越窄，越不適合通航，風(fēng)險度越高。

式中，d9為寬度標(biāo)準(zhǔn)化值；wid 為評估單元與兩側(cè)海岸的距離；K0為寬度參考值，取50 km。

10）港口設(shè)施用于評估單元與港口距離。d10越大，與港口距離越遠(yuǎn)，風(fēng)險度越高。

式中，d10為港口設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)化值； D'為評估單元與港口的距離；K1為距離參考值，取250 km。

11）國際法限制用于評估單元所屬區(qū)域的性質(zhì)。d11越大，受國際法影響越大，風(fēng)險度越高。

式中，d11為國際法限制標(biāo)準(zhǔn)化值；D'為評估單元屬性。

2.3 權(quán)重的確定

主客觀相結(jié)合的權(quán)重定權(quán)方法首先需要分別確定評價指標(biāo)的主觀權(quán)重和客觀權(quán)重。評價指標(biāo)的主觀權(quán)重采用層次分析法計算得到。本文面向相關(guān)單位和研究領(lǐng)域（國家海洋局極地考察辦公室、中國極地研究中心、中國國家海洋環(huán)境預(yù)報研究中心、國家海洋局海洋研究所、大連理工大學(xué)等科研院所和院校）的專家發(fā)放調(diào)查問卷40份，根據(jù)調(diào)查問卷得到評判矩陣調(diào)查基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，經(jīng)計算得到北極西北航道適航性評價指標(biāo)主觀權(quán)重，如表2所示。

表2 北極西北航道適航性評價指標(biāo)主觀權(quán)重

評價指標(biāo)的客觀權(quán)重采用粗糙集方法確定。本文利用2002—2020 年7—10 月的月均海冰密集度、氣溫、能見度、風(fēng)速、海流流速、海表溫度等數(shù)據(jù)計算海冰因素、氣象環(huán)境因素和水文環(huán)境因素的客觀權(quán)重，其中能見度根據(jù)Kunkel提出的能見度計算公式[29]由云含水量數(shù)據(jù)計算得到。首先將數(shù)據(jù)離散化處理和屬性值約簡；然后刪除屬性值相同的樣本得到簡化的決策表，并分別按條件屬性和決策屬性對決策表論域進(jìn)行分類；再計算得到各條件屬性集關(guān)于決策屬性的近似精度，分析每條屬性關(guān)于決策屬性的重要性；最后歸一化得到海冰密集度、氣溫、能見度、風(fēng)速、海流流速和海表溫度的客觀權(quán)重為0.42、0.05、0.19、0.10、0.14、0.10。評價指標(biāo)的組合權(quán)重通過線性加權(quán)組合法計算得到。西北航道指標(biāo)權(quán)重如表3所示。

表3 北極西北航道適航性評價指標(biāo)組合權(quán)重

2.4 適航性評估模型的構(gòu)建

本文采用線性加權(quán)組合法得到組合權(quán)重并將指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后，則可構(gòu)建北極航道適航性評估的數(shù)學(xué)模型。其表達(dá)式為：

式中，W 為北極航道適航性風(fēng)險指數(shù)；i 為各影響指標(biāo)； n 為總指標(biāo)數(shù)；Ci為其對應(yīng)的影響指標(biāo)指數(shù)；WCi為其對應(yīng)的權(quán)重。

3 西北航道夏季適航性分析

根據(jù)指標(biāo)定義和量化方法，本文分別計算得到二級指標(biāo)的權(quán)重值，再采用加權(quán)疊加的方法分析北極西北航道的夏季適航性。由各指標(biāo)數(shù)據(jù)加權(quán)疊加得到西北航道夏季適航性的風(fēng)險指數(shù)，最大值為0.769，最小值為0.085，適航性等級劃分如表4所示，適航性分級區(qū)劃結(jié)果如圖1所示。

表4 北極西北航道夏季適航性等級劃分

通過對比2002—2020年北極西北航道夏季適航性等級空間分布圖發(fā)現(xiàn)，西北航道夏季適航性在近19年有較明顯的改善，2002—2005 年西北航道2/3 以上的區(qū)域適航性較差，波弗特海沿岸海域和巴芬灣海域相對較好，麥克盧爾海峽、梅爾維爾子爵海峽以及維多利亞島東部海域船舶難以航行；2006—2008 年波弗特海域適航性有顯著改善，較安全可通航的海域面積逐漸增加，維多利亞島東部海域由不可通航變?yōu)檩^不安全可通航；2009 年不安全可通航的航道范圍再次擴(kuò)張，北極群島周邊幾個關(guān)鍵海峽船舶難以航行；2010—2012年不安全可通航的航道區(qū)域明顯減少，大部分地區(qū)適航性較好；2013—2017年波弗特海海域和加拿大深海平原由大面積的不安全可通航變?yōu)榇竺娣e的較安全可通航，加拿大北極群島周邊海域基本為較不安全可通航；2018—2020年加拿大北極群島周邊海域不可通航的范圍有所增加?？傮w來看，加拿大北極群島周邊海域的適航性變化不具有趨勢性，西北航道適航性最好的年份是2012年。

4 結(jié) 語

本文綜合考慮影響北極西北航道船舶航行的多方面因素，建立了北極西北航道適航性評價體系，采用主客觀相結(jié)合的權(quán)重確定方法，并利用國內(nèi)外多源數(shù)據(jù)評估了北極西北航道近19 年的夏季適航性。其主要結(jié)論為：①由各影響因素的權(quán)重值可知，海冰因素依然是影響北極航道適航性的關(guān)鍵因素，其次是氣象環(huán)境因素和水文環(huán)境因素；②2002—2020 年夏季西北航道整體適航性有一定的提升，適航性較好的區(qū)域主要是楚科奇海和波弗特海沿岸的海域；③加拿大北極群島周邊海域適航性年際變化較大，是影響通航的關(guān)鍵區(qū)域。